3점 굽힘시험 (Three-Point Bending Test)

한 줄 정의: 막대 형태의 시편을 두 개의 받침점 위에 올려놓고 중앙 한 지점에서 하중을 가해 휘어지게 만들어 굽힘강도와 탄성계수를 측정하는 시험법입니다.

쉽게 풀면

3점 굽힘시험은 긴 막대 모양의 시편을 양 끝 근처 두 지점에서 받쳐놓고 정중앙 한 지점을 위에서 눌러 휘어지게 만드는 시험입니다. 이때 시편의 아래쪽 면은 늘어나려는 인장 응력을, 위쪽 면은 눌리는 압축 응력을 동시에 받습니다. 얼마나 큰 힘을 가했을 때 시편이 얼마나 휘어지는지를 측정해서 재료가 굽힘에 얼마나 잘 견디는지 알아내는 것이 이 시험의 핵심입니다.

왜 중요한가

세라믹, 유리, 취성 복합재료처럼 인장시험용 시편을 만들기 어렵거나 잡는 부분에서 파손되기 쉬운 재료는 3점 굽힘시험으로 강도를 평가하는 경우가 많습니다. 시편 제작과 시험 절차가 비교적 간단해 취성재료의 강도 및 파괴 거동을 평가하는 표준적인 방법으로 널리 쓰입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The flexural strength of the composite laminate was evaluated using a three-point bending test with a span-to-thickness ratio of 16."

복합재 적층판의 굽힘강도를 특정 지지 간격 비율로 3점 굽힘시험을 통해 평가한 예문입니다.

"Three-point bending tests on the sintered ceramic bars showed a marked decrease in strength with increasing porosity."

소결된 세라믹 막대의 3점 굽힘시험에서 기공률이 높아질수록 강도가 뚜렷하게 감소했음을 보여준 예문입니다.

조금 더 깊게 보면

3점 굽힘시험에서는 하중이 가해지는 중앙 지점에 응력이 집중되기 때문에, 이 지점 근처의 결함이 시편의 파괴 강도를 좌우하는 경우가 많습니다. 이 때문에 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 응력이 분포하는 4점 굽힘시험과 결과가 다르게 나타날 수 있으며, 목적에 따라 두 방법 중 하나를 선택합니다. 측정된 하중-변위 데이터로부터 굽힘강도와 굽힘탄성계수를 계산합니다.

주의할 점

시편 표면의 미세한 흠집이나 결함이 파괴 강도에 큰 영향을 줄 수 있어 시편 준비와 표면 처리에 주의가 필요합니다. 또한 하중점 아래에 응력이 집중되므로, 재료 전체의 대표적인 강도라기보다는 국소적인 최약점을 반영할 수 있다는 한계가 있습니다.